基於跨導放大器的電流模式積分單元的設計

摘要：在集成電路系統中，各種模擬功能的電流單元都是由基本的電流模單元組成。跨導放大器是電流模電路的基本單元。基於跨導放大器的電流模積分器可以實現電流到電流的積分轉換。同時可應用於各種集成濾波電路的設計。在此採用0．18μm CMOS仿真工藝，使用共源共柵結構設計一款供電電壓為1．8 V的高增益低功耗的跨導放大器，採用具有PTAT基準電流源的偏置電路，使用HSpice進行優化設計，並將此放大器應用於電流模式積分單元的電路仿真。
關鍵詞：電流模；積分器；跨到放大器；共源共柵；HSpice

0 引言
相對於傳統的電壓模電路，電流模電路具有頻帶寬、速度高、不受增益帶寬積常數的限制等特點。因此在高頻領域受到廣泛的應用。
同時作為模擬電子計算機基本組成單元的積分器電路在控制測量系統中被常常用到。而且在各種波形(矩形波、鋸齒波等)發生電路中，積分電路也是重要的組成部分。而OTA積分器具有突出的優點，外接元件只需電容，電路簡單，容易集成，積分時間常數可調，高頻性能好，這些都是它的突出優點，在有源濾波器、正弦振蕩器等電路中獲得了廣泛的應用。
本文基於0．18μm CMOS工藝仿真設計一個基於OTA的低功耗，高增益的電流模式積分單元。並採用HSpice軟體對電路進行仿真。

1 電流模積分器原理
運算跨導放大器(Operat-ional Transconductance Amplitier，OTA)是通用性很強的器件。它在增益可控放大器、濾波器和電流模式的模擬信號處理系統中應用非常廣泛。
跨導運算放大器分為雙極型和MOS型2種，相對於雙極型跨導運算放大器而言，CMOS跨導運算放大器的增益值較低，增益可調範圍小，但是它的輸入阻抗高，功耗低，容易與其他電路結合實現全CMOS集成系統。因此在COMS電路中一直被採用。其電路符號如圖1所示：

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/186821.htm

其傳輸特性是：
Io=gmVd=gm(V+-V-) (1)
跨導是ID的函數等效電路如圖2所示。
對於這個理想模型，2個電壓輸入之間開路，差分輸入電阻為無窮大；輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無窮大。同時，理想跨導放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬帶等參數均為無窮大，輸入失調電壓，輸入失調電流等參數均為零。
由以上OTA的原理，很容易實現電流模積分器的設計。電路如圖3(a)，(b)所示：

無論同相或者反相電流模積分器始終滿足輸出電流與輸入電流的積分成正比且積分時間常數為gm／C。